金属粉末火焰喷焊技术

金属粉末火焰喷焊技术,一、热喷涂喷焊技术发展简介,最早的热喷涂装置由瑞士科学家M.V.Schoop发明的。原理是将熔化的金属液注入到由旋管喷出的热空气流中，被雾化喷射到工件表面； 1913年Schoop利用氧乙炔焰加热金属丝原理，制成了早期的气喷涂装置； 1920年日本人江泽谦二郎发明了电弧喷涂装置； 三十年代，美国Metco公司发明了用空气涡轮和马达送丝的Metco E型和K型气喷涂装置，同期英国人Schori发明了粉末型火焰喷枪；,热喷涂喷焊技术发展简介,二战前后，喷涂的应用已扩展到喷锌、喷铝、防腐、耐热、抗氧化等方面； 1953年，H.S.Sayre发明了“自熔合金”，这是热喷涂技术的重大突破； 50年代后期，美国联合碳化物公司发明了爆炸喷涂，同期美国Plasmayne公司发明了等离子喷涂技术； 60年代，Metco公司发明了放热型自熔合包复粉末； 60年代后期，日本九洲大学栖原发明了线爆喷涂技术；,热喷涂喷焊技术发展简介,70年代捷克、瑞士、美国先后研制成功80千瓦高能高速等离子喷涂设备； 80出现了超音速喷涂设备。,二、热喷涂材料简介,1、分类 金属及其合金 自熔合金粉末 陶瓷材料 塑料 复合粉末,热喷涂材料简介,2、对热喷涂材料的要求 良好的使用性能耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、导电、绝缘等； 热稳定性不升华、不分解、不挥发、不发生晶格转变； 热膨胀系数和导热率与母材接近； 良好的固态流动性； 良好的润湿性和液态流动性。,热喷涂材料简介,3、自熔合金的性质及在喷焊中的应用 自熔合金定义：含硼和硅元素，低熔点、自脱氧，与基体湿润性良好的合金。 自熔合金的特点：熔点低 流动性好 能自行脱氧、造渣 能形成高硬度的弥散强化相,热喷涂材料简介,分类：镍基合金 钴基合金 铁基合金,热喷涂材料简介,合金元素在自熔合金中的作用 硼、硅元素 脱氧、造渣 降低合金熔点，提高固液相温度范围 形成弥散强化相，提高硬度和强度,1100,1050,1000,950,温度 ,1 2 3 4 5,硼含量对熔化温度的影响,B%,液相线,固相线,温度 ,1100 1050 1000 950,3.5 4 4.5 5 5.5 Si%,硅含量对熔化温度的影响,镍基自熔合金,1 镍的作用 基体材料（占70%以上） 提高韧性 提高耐蚀性 2 铬的作用 铬约占15%左右 形成硬质点的主要元素Cr23C6、Cr7C3、Cr2B、CrB 还能形成碳化铬和硼化铬 与镍形成固溶体，使基体固溶强化,3 碳的作用 形成碳化物，提高合金的硬度和耐磨性 能增加合金的脆性（一般控制在1%以下） 碳与镍形成低熔点共晶体，降低合金熔点,4 合金粉末的主要技术指标 硬度-HRC 粉末含氧量（O)-小于0.1% 粒度-目 Fe含量-Fe含量高会降低合金的膨胀系数 松装比（g/cm3) 摇实比（g/cm3) 流动性（s/50g）-粉末圆度,4 镍基合金的性能 耐磨性-在低应力磨粒磨损条件下，镍基合金涂层的耐磨性比相同硬度的碳素钢高810倍，在镍基合金中加入适当的WC 、CrB，耐磨性能进一步提高 耐蚀性-镍基合金涂层有优良的耐热、耐蚀、和抗氧化性能 红硬性-镍基合金具有较高的红硬性原于硼化物的作用，500度时仍有很高的硬度,100 75 50 25,2 4 6 8 10 12 14,失重（mg/cm2),时间（t）,Cr13,18-8,在Cr13上喷焊,在18-8上喷焊,介质：10%盐酸,镍基自熔合金与不锈钢耐蚀性比较,HRC,100 200 300 400 500 600 700 温度,60 50 40 30 20,镍基合金硬度随温度变化情况,涂层结构和基体表面制备,1 涂层结构特点 涂层是层状结构，由涂层的形成过程决定，涂层的物理特性有方向性 涂层中存在内应力 涂层化学成份存在不均匀性 涂层的多孔性 2 涂层与基体的结合机理 机械结合 金属键力结合 微扩散结合，在界面形成微小的扩散 微焊接结合,基体表面制备,1 预清洁 去油、除锈等 2 加工 注意边角的过渡 3 粗化 喷砂 主要参数有：磨料类型（多棱角）、磨料粒度、压缩空气压力、工件表面硬度、压缩空气清洁度（无水无油）、喷砂角度等 机加工法 车螺纹、滚花等 车螺纹的优点是：粗化了结合的表面；增加结合面积；提高涂层的剪切强度；减不涂层的应力叠加 镍拉毛 电火花加工方法，适于工件表面硬度，不能采用喷砂和机加工方法的工件 注意：粗化后的工件应在2小时内进行喷涂,输送辊喷焊工艺及检验要点,1 辊坯 管坯-无缝管-状态（去应力） 管坯加工-车螺纹-R角-防表面污染 R角喷砂 定期检查压缩空气质量（油水含量） 喷前粗化处理 定期检查砂子是否标准（粒度和棱角） 检查喷砂质量（Sa2.5） 压缩空气压力和流量 清洁度控制-去油去水（温度和大气露点）,2 温度控制 红外测温（反射系数） 预热（300）-温度检测 热电偶测温 喷预保护涂层（约0.1mm) 加热-温度控制（小于500） 重熔温度控制（1000-1100）-镜面反射 冷却-旋转冷却至300以下，拆卸，立放至室温,3 涂层均匀性控制 涂层的均匀性是输送辊喷焊的一项关键技术。涂层均匀性好的优点是： 降低喷焊成本 降低喷焊层的内应力 降低加工难度 涂层均匀性控制目标： 涂层不均匀性小于0.2mm 控制机床的稳定性 粉轴 送粉管 送粉器送粉精度控制 喷咀 控制涂层均匀性的方法 合金粉 载气 氧气、燃气、压缩空气压力和流量 重熔温度控制,4 重熔控制 重熔时须对加热温度进行精确控制，温度过高会造成喷焊层淌流，温度过低会造成喷焊层熔化不充分而出现生粉，只有对加热温度进行精确控制才能保证喷焊层质量。具体的做法是： （1）确保辊坯的加工精度，为重熔时建立均匀、稳定的温度场创造条件； （2）重熔过程采用计算机程序控制； （3）对粉末的物理性能进行调整，将其熔化的温度范围调宽，使镜面加宽，进而降低重熔难度。,5 变形控制 （1）轴向变形控制 采用弹性卡具控制辊子的轴向变形，经计算及实测，喷焊时辊子（3001500）的轴向彭胀量一般在1520mm范围内，径向彭胀量在3mm左右，为此采用弹性卡具，如图所示，在保证一定夹紧力的情况下，辊子在加热和冷却时能自由胀缩，这样可防辊子由于轴向固定而产生旁弯。,弹性夹具示意图,（2）径向变形的控制，采用环向加热的方式进行重熔，避免了由于单枪加热造成的加热不均的问题，由于辊子材质不同，其轧制的应力状态不同，因而每种辊子的径向收缩量也不尽相同，但是每批管子的材质和应力状态是基本相似的，椐此我们根据每批管子的前三根喷焊试验确定其径向收缩量，并根据径向收缩量及该材料的彭胀系数确定喷粉的厚度，计算方法如下： L= kd（t - t0）+ l 注：L喷粉厚度（mm）； k 辊筒材料的线彭胀系数； d 辊子直径（mm）； t 辊子温度（）； t0 环境温度（）； l径向收缩量（mm），该数根据试验测得。,6 裂纹产生的原因及对策 由于喷焊材料本身硬度高、脆性大、韧性差，因此在喷焊时及易产生裂纹，如照片所示。在工艺上必需采取措施加以解决，裂纹产生的原因主要有以下几个方面： （1）喷焊层材料与母材不匹配，当喷焊层材料与母材的热彭胀系数相差较大时，在辊子加热和冷却时由于彭胀量不一样，会产生较大的内应力，当内应力超过临界值时就会在喷焊层产生裂纹； （2）喷焊层与母材结合不好，如由于母材表面过度氧化，使喷焊层与母材没有达到完全冶金结合或重熔时熔化不充分等也会使喷焊层产生裂纹；,（3）辊子本身刚性较大，喷焊时产生的应力无法充分的释放而使喷焊层产生裂纹。根据试验，喷焊时当辊子的变形收缩量小于0.1mm时，喷焊层产生裂纹的倾向会大大增加。照片中的裂纹就是由于这一原因产生的。 （4）喷焊层材料本身也是产生裂纹的一个重要原因，如喷焊层材料中碳的含量过高等都会增加裂纹倾向。,针对裂纹问题采取的措施： （1）尽量选用与喷焊层材料匹配的母材，一般情况下喷焊层材料的热胀系数为1310-6（700时），母材的材料的热彭系数应尽量与其接近。如喷焊Ni基合金时，首选的母材材料为20号钢； （2）合理安排工序，如图1所示，芯轴的安装顺序对喷焊影响很大，如果先装芯轴后喷焊，会增加辊子两端的刚性，喷焊时易产生裂纹，而先喷焊则可避免这一问题。 （3）喷焊时确保各环节的操作不会导致辊面及喷焊层过度氧化，如预热温度不能过高，预热后应及时进行预保护喷涂，经粗化处理的辊面不能放置过长时间等，确保喷焊层与母材形成完全冶金结合。 （4）喷焊后避免辊子快速冷却，必要时要采取缓冷措施。,7 喷焊层质量控制 喷焊层质量控制在生产中始终是最重要的，但由于缺乏非破坏检验的有效方法，对喷焊层质量作出正确的评价，这个问题就变的十分复杂，因此严格掌控每个工艺环节才是喷焊层质量控制的唯一途径。 总之，为了做到喷焊层的全面质量控制必须有设备保证、材料保证、工艺保证和检验保证。 （1）设备的稳定性和可靠性 （2）材料的质量 化学成份、粉末的粒度及分布、粉末的几何尺寸都须严格控制 （3）工艺措施 沉积效率是涂层质量控制的一个重要指标，沉积效率的高低与涂层质量成正比 （4）检验保证 喷焊层的检验控制以保证产品的喷涂条件为主，以各